超声波测距模块的设计设计.docx
《超声波测距模块的设计设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《超声波测距模块的设计设计.docx（52页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
超声波测距模块的设计设计
超声波测距模块的设计设计
西南科技大学
毕业设计（论文）
题目名称：
超声波测距模块的设计
毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明
原创性声明
本人郑重承诺：
所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。
尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。
对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。
作者签名：
日 期：
指导教师签名：
日 期：
使用授权说明
本人完全了解大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：
按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。
作者签名：
日 期：
学位论文原创性声明
本人郑重声明：
所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。
除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。
对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。
本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。
作者签名：
日期：
年月日
学位论文版权使用授权书
本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。
本人授权 大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。
涉密论文按学校规定处理。
作者签名：
日期：
年月日
导师签名：
日期：
年月日
超声波测距模块的设计
摘要：
超声波测距应用十分广泛。
论文在分析可行性、可靠性的基础上，参照工程设计方法，确立了结构化设计的思路。
本文设计了一套超声波检测系统，该系统是一种基于AT89C51单片机的超声波测距系统,它根据超声波在空气中传播的反射原理,以超声波传感器为接口部件,应用单片机技术和超声波在空气中的时间差来测量距离。
该系统主要由主控制器模块、超声波发射模块、超声波接收模块和显示模块等四个模块构成。
设计利用51单片机系统的I/O口，使超声波传感器发出40KHz的超声波，反射回来的超声波信号，经过放大和整形电路进入单片机，比较调试后确定其对应的距离，完成测距。
可实现3米内测距，盲区7厘米，具有LCD显示功能。
关键词：
超声波；超声波传感器；AT89C51单片机；LCD显示单元；测距仪
DesignofUltrasonicDistancemeasurement
加QQ652783983代做论文设计
Abstract:
Theultrasonicrangingapplicationisextremelywidespread.Afterthefeasibilityandreliabilityhasbeenanalysised,thestructuredesigntechniquewasestablished.ThisarticleintroducesanultrasonicdistancemeasurementbasedontheAT89C51single-chipcomputer,thesystemaccordingtoultrasoundintheairreflectionprinciplesofthedissemination.Anditusestheultrasoundsensorasinterfacecomponentsfortheapplicationofthedistancemeasurebasedbysingle-chipcomputertechnologyandthemarginoftimethatultrasoundtransmitinair,therebythesystemsofdesignofultrasonictestcomesintobeing.Thesystemprimarilycomposedbythefourmodules:
thecontrollermodule,ultrasoniclaunchmodule,ultrasoundreceivingmoduleanddisplaymodular.TheI/Oportsofthe51single-chipcomputerwereusedtocausetheultrasonictransducertosendoutthe40kHzultrasonicwave.Thereflectedsignalenterthe51aftertheenlargementandfeedbackcircuit,andthesystemwillcompletetherangefinderbydebuggingthecorrespondingdistance.Thisdesigncanrealize3metersinrangefinders,withthe7centimetersblindspot,ThesystemhavetheLCDdemonstration.
Keywords:
ultrasonic,ultrasonicsensor,AT89C51single-chipcomputer,LCDdisplayunit,rangefinder
加QQ652783983代做论文设计
第1章绪论
加QQ652783983代做论文设计
高速度，高效率是现代工业的标志，而这是建立在高质量的基础之上的。
设计和工艺人员理应了解：
非均一的组织结构，随机出现的微观、宏观缺陷，常常可以有时甚至是只能依靠无损检测技术的运用方可予以发现、评价。
当然，这与数十年来多方的重视和广大从业人员的艰辛努力，使无损检测技术在这方面已具有一定的能力有关。
现在，在工业发达国家，无损检测在产品的设计研制，使用部门已被卓有成效的运用，1981年美国前总统里根在给美国无损检测学会成立40周年大会的贺信中就说过：
“你们能够给飞机、空间飞行器、发电厂、船舶、汽车和建筑物等带来更大程度的可靠性。
没有无损检测，我们就不可能享有目前在这些领域和其他领域的领先地位。
”无损检测正在以迅猛之势向纵深发展，客观的需要毕竟是一种专业可以发展的最大动力。
超声技术就是一项典型的无损检测技术。
利用超声波测量已知基准位置和目标物体表面之间距离的方法，称为超声波测距。
可想而知，它的应用，必将在未来展现出夺目的光辉。
1.1课题背景
利用超声波作为定位技术是蝙蝠等一些无目视能力的生物作为防御及捕捉猎物生存的手段，也就是生物体发射不被人们听到的超声波（20kHZ以上的机械波），借助空气媒质传播由被待捕捉的猎物或障碍物反射回来的时间间隔长短与被反射的超声波的强弱判断猎物或障碍物位置的方法，根据这一原理，人们提出了超声波测距，它是一种传统而实用的非接触测量方法，和激光、涡流和无线电测距方法相比，具有不受外界光及电磁场等因素的影响的优点，在比较恶劣的环境中也具有一定的适应能力，且结构简单，成本低，因此在工业控制、建筑测量、机器人定位方面得到了广泛的应用。
但由于超声波传播声时难于精确捕捉，温度对声速的影响等原因，使得超声波测距的精度受到了很大的影响，限制了超声测距系统在测量精度要求更高的场合下的应用。
距离是在不同的场合和控制中需要检测的一个参数，测距成为数据采集中要解决的一个问题。
而由于超声波的速度相对光速小的多，其传播时间比较容易检测，并且易于定向发射，方向性好，强度好控制，因而人类采用仿真技能利用超声波测距。
超声波测距是一种利用超声波特性、电子技术、光电开关相结合来实现非接触式距离测量的方法。
因为它是非接触式的，所以它就能够在某些特定场合或环境比较恶劣的情况下使用。
比如要测量有毒或有腐蚀性化学物质的液面高度或高速公路上快速行驶汽车之间的距离。
我国超声波检测技术是从无到有，从低级阶段逐渐发展到应用普及的现阶段水平。
超声波检测仪器的研制生产，也大致按此规律发展变化。
五十年代，我国开始从国外引进超声波仪器，多是笨重的电子管式仪器。
如英国的UCT-2超声波检测仪，重达24kg，各单位积极开展试验研究工作，在一些工程检测中取得了较好的效果。
五十年代末六十年代初，国内科研单位进口了波兰产超声仪，并进行仿制生产。
随后，上海同济大学研制出CTS-10型非金属超声检测仪，也是电子管式，仪器重约20Hg。
该仪器性能稳定，波形清晰。
但当时这种仪器只有个别科研单位使用，建工部门使用不多。
直至七十年代中期，因超声波检测技术仍处于试验阶段，未推广普及，所以仪器没有多大发展，仍使用电子管式的UCT-2，CTS-10型仪器。
1976年，国家建委科技公司主持召开全国建筑工程检测技术交流会后，国家建委将混凝土超声波检测技术列为重点攻关项目，组织全国6个单位协作攻关。
从此，超声波检测技术开始进入有计划，有目的的研究阶段。
随着电子工业的飞速发展，半导体元件逐渐代替了电子管器件，更有利于超声波检测技术的推广普及。
如罗马尼亚N2701型超声波测试仪，是由晶体管分立元件组成，具有波形和数码显示，仪器重10kg。
七十年代，英国C.N.S公司推出仅有3.5kg重的PUNDIT便携式超声仪。
1978年10月，中国建筑科学院研制出JC-2型便携式超声波检测仪。
该仪器采用TTL线路，数码显示，仪器重量为5kg。
同期研制出的超声检测仪器还有SC-2型，CTS-25型，SYC-2型超声波检测仪。
从此，我国有了自己生产的超声波仪器，为推广应用超声波检测技术奠定了良好的基础。
随着检测技术研究的不断深入，对超声检测仪器的功能要求越来越高，单数码显示的超声检测仪测读会带来较大的测试误差。
进一步要求以后生产的超声仪能够具有双显及内带有单片机的微处理功能。
随后具有检测，记录，存储，数据处理与分析等多项功能的智能化检测分析仪相继研制成功。
超声仪研制呈现一派繁荣景象。
其中，煤炭科学研究院研制的2000A型超声分析检测仪，是一种内带微处理器的智能化测量仪器，全部操作都处于微处理器的控制管理之下，所有测量值，处理结果，状态信息都在显像管上显示出来，并可接微型打印机打印。
其数字和波形都比较清晰稳定，操作简单，可靠性高，具有断电存储功能，其串口可以方便用户对仪器的测试数据进行后处理及有关程序的开发。
与国内同类产品相比，设计新颖合理，功能齐全，在仪器设计上有重大突破和创新，达到了国际先进水平。
目前，计算机市场价格大幅度下降，采用非一体化超声波检测仪器，计算机可发挥它一机多用的各种功能，实际上是最大的节约。
过去那种全功能的仪器设置，还不如单独的超声仪，计算机可充分发挥各自特点。
高智能化检测仪器只能满足检测条件，使用环境，重复性测试内容等基本情况一样，才可充分发挥其特有功能。
仪器设计也应从实际情况出发，才能满足用户的要求。
综上所述，我国超声波仪器的研制与生产，有较大发展，有的型号已超过国外同类仪器水平。
随着电子技术的发展，出现了微波雷达测距、激光测距及超声波测距。
前2种方法由于技术难度大，成本高，一般仅用于军事工业，而超声波测距则由于其技术难度相对较低，且成本低廉,适于民用推广。
超声测距在液位测量、机械手控制、车辆自动导航、物体识别等方面有广泛应用。
特别是应用于空气测距，由于空气中波速较慢，其回波信号中包含的沿传播方向上的结构信息很容易检测出来，具有很高的分辨力，因而其准确度也较其它方法为高。
例如。
随着汽车智能化的发展，中国城市汽车的保有量迅速增加。
随之而来的是交通事故与日俱增，城市里尤其突出。
智能交通系统是二十一世纪交通运输的重要发展方向，这里就可以用到超声测距判断汽车前方障碍物的情况，及时向司机传达信息。
还有在水中探测，军事，医疗中的超声诊断和治疗等方面有重要作用，而且测量精度在不断的提高，另外在移动机器人研制也广泛应用。
为了使移动机器人能自动避障行走，就必须装备测距系统，以使其及时获取距障碍物的距离信息（距离和方向）。
目前这个领域发展迅速，不断提出新课题，具有广阔的发展前景。
1.2论文研究内容
1.2.1研究内容
本设计要求我们先要掌握充足的理论知识，着重理论联系实际，培养理论分析的能力，检索资料的能力、电子系统设计的能力、实际动手的能力、分析排除故障的能力。
通过该课题的设计，让自己学习到超声测距的相关知识，包括对超声波，传感器学习，超声波传感器的应用，了解了超声波与其他学科的关系，扩大了知识面，培养了自己分析问题，解决问题，实际动手的能力。
本设计从51单片机、超声波传感器的原理和特性出发，对超声波测距技术中的控制、信息采集技术进行了较为详尽的分析，参照工程设计的基本方法，分析系统可行性、可靠性后，确立结构化设计的基本思路。
从各功能模块一一设计。
该仪器是由+5V稳压电源提供驱动，利用超声波在空气中传播遇障碍物反射的原理，以超声波探头为接口部件，应用单片机技术计算超声波在空气中传播的时间（超声波的速度为声速）并处理成相应的距离，然后再通过LCD显示距离。
1.2.2各章节主要内容
论文第一章阐述了本课题的研究背景。
第二章确立了系统的总体方案和系统各模块的方案选择比较，以及方案实施。
第三章是对系统硬件的设计。
采用51单片机作为控制单元，设计超声波收发电路，系统电源，显示单元，温度补偿单元等。
第四章介绍了系统软件的设计，利用结构化设计思想，画出了各部分的程序流程图。
第五章分析了本系统的调试过程。
加QQ652783983代做论文设计
加QQ652783983代做论文设计
加QQ652783983代做论文设计
第2章系统的总体方案设计
第3章加QQ652783983代做论文设计
本课题要设计制作是一个数显超声波测距仪。
对象是测距仪与被测物之间的距离，要求检测时间小于0.5s情况下测量范围在0.07～3.00m，测量精度为5cm，并且测量时测距仪不能与被测物体直接接触，以及用LCD显示结果等要求。
这一章主要介绍了超声波测距原理，系统方案的选择比较与实施，为后一章节的系统硬件设计提供依据。
2.1超声测距理论基础
2.1.1超声波介绍
与光波不同，超声波是一种弹性机械波，它可以在气体、液体和固体中传播。
我们知道，电磁波的传播速度为3×
m／s，常温下，超声波在空气中的传播速度大约为340m／s，其速度相对电磁波是非常慢的。
超声波在相同的传播媒体里（大气条件）传播速度相同，即在相当大的频率范围内声速不随频率变化，波动的传播方向与振动方向一致，是纵向振动的弹性机械波，它是借助于传播介质的分子运动而传播的，波动方程描述方法与电磁波是类似的。
A=A（X）cos（
t+kx）（2-1）
A（X）=
（2-2）
式中，A（X）为振幅，
为常数,
为圆频率，t为时间，X为传播距离，k=
为波数，
为波长，
为衰减系数。
衰减系数与声波所在介质及频率的关系为
=a
（2-3）
式中，a为介质常数，f为振动频率。
在空气里，a=2×
/cm，当振动的声波频率f=40kHz（超声波）代入式（2-3）可得:
=3．2×
，即1／
=31m；若f=30kHz，则1／
=56m。
它的物理意义是：
声波在空气媒质里传播，因空气分子运动摩擦等原因，能量被吸收损耗。
在（1／
）长度上，平面声波的振幅衰减为原来的e分之一，由此可以看出，频率越高，衰减得越厉害，传播的距离也越短。
考虑实际工程测量要求，在设计超声波测距仪时，选用频率f=40kHz的超声波[5]。
2.1.2超声波传感器
传感器行业是知识密集、技术密集的行业，它与许多学科有关，它的种类繁多。
超声传感器是一种将其他形式的能转变为所需频率的超声能或是把超声能转变为同频率的其他形式的能的器件。
目前常用的超声传感器有两大类，即电声型与流体动力型。
电声型主要有：
1、压电传感器；
2、磁致伸缩传感器；
3、静电传感器。
流体动力型中包括有气体与液体两种类型的哨笛。
由于工作频率与应用目的不同，超声传感器的结构形式是多种多样的，并且名称也有不同，例如在超声检测和诊断中习惯上都把超声传感器称作探头，而工业中采用的流体动力型传感器称为“哨”或“笛”。
压电传感器属于超声传感器中电声型的一种。
探头由压电晶片、楔块、接头等组成，是超声检测中最常用的实现电能和声能相互转换的一种传感器件，是超声波检测装置的重要组成部分。
压电材料分为晶体和压电陶瓷两类。
属于晶体的如石英，铌酸锂等，属于压电陶瓷的有锆钛酸铅，钛酸钡等。
其具有下列的特性：
把这种材料置于电场之中，它就产生一定的应变；相反，对这种材料施以外力，则由于产生了应变就会在其内部产生一定方向的电场。
所以，只要对这种材料加以交变电场，它就会产生交变的应变，从而产生超声振动。
因此，用这种材料可以制成超声传感器。
传感器的主要组成部分是压电晶片。
当压电晶片受发射电脉冲激励后产生振动，即可发射声脉冲，是逆压电效应。
当超声波作用于晶片时，晶片受迫振动引起的形变可转换成相应的电信号，是正压电效应。
前者用于超声波的发射，后者即为超声波的接收。
超声波传感器一般采用双压电陶瓷晶片制成。
这种超声传感器需要的压电材料较少，价格低廉，且非常适用于气体和液体介质中。
在压电陶瓷上加有大小和方向不断变化的交流电压时，根据压电效应，就会使压电陶瓷晶片产生机械变形，这种机械变形的大小和方向在一定范围内是与外加电压的大小和方向成正比的。
也就是说，在压电陶瓷晶片上加有频率为
交流电压，它就会产生同频率的机械振动，这种机械振动推动空气等媒介，便会发出超声波。
如果在压电陶瓷晶片上有超声机械波作用，这将会使其产生机械变形，这种机械变形是与超声机械波一致的，机械变形使压电陶瓷晶片产生频率与超声机械波相同的电信号。
双压电晶片如图2-1所示，当在AB间施加交流电压时，若A片的电场方向与极化方向相同，则下面的方向相反，因此，上下一伸一缩，形成超声波振动。
双压电晶片的等效电路如图2-2所示，C为静电电容，R为陶瓷材料介电损耗并联电阻，Cm和Lm为机械共振回路的电容和电感，Rm为损耗串联电阻。
压电陶瓷晶片有一个固定的谐振频率，即中心频率
。
发射超声波时，加在其上面的交变电压的频率要与它的固有谐振频率一致。
这样，超声传感器才有较高的灵敏度。
当所用压电材料不变时，改变压电陶瓷晶片的几何尺寸，就可非常方便的改变其固有谐振频率。
利用这一特性可制成各种频率的超声传感器[12]。
图2-1双压电晶片示意图
图2-2双压电晶片等效图
超声波传感器的内部结构由压电陶瓷晶片、锥形辐射喇叭、底座、引线、金属壳及金属网构成，其中，压电陶瓷晶片是传感器的核心，锥形辐射喇叭使发射和接收超声波能量集中，并使传感器有一定的指向角，金属壳可防止外界力量对压电陶瓷晶片及锥形辐射喇叭的损坏。
金属网也是起保护作用的，但不影响发射与接收超声波。
2.1.3传感器的指向角θ
传感器的指向角是声束半功率角的夹角，是影响测距的一个重要技术参数，它直接影响测距的分辨率。
对圆片传感器来说，它的大小与工作波长λ，传感器半径r有关。
见公式（2-4）
sin
=1.615 （2-4）
选f
=40kHz时，
=8.5mm。
当f
选定后，指向角θ近似于传感器半径成反比。
指向角θ愈小，空间分辨率愈高，则要求传感器半径r愈大。
鉴于目前电子市场的压电传感片规格有限，为降低本次设计成本，在不降低空间分辨率的情况下，选用国产现有压电传感器片最大半径r=6.3mm，故
=75
。
2.1.4测量盲区
在传感器以脉冲反射方式工作的情况下，电压很高的发射电脉冲在激励传感器的同时也进入接收部分。
此时，在短时间内放大器的放大倍数会降低，甚至没有放大作用，这种现象称为阻塞。
不同的检测仪器阻塞程度不一样。
根据阻塞区内的缺陷回波高度对缺陷进行定量评价会使结果偏低，有时甚至不能发现障碍物，这是需要注意的。
由于发射脉冲自身有一定的宽度，加上放大器有阻塞问题，在靠近发射脉冲一段时间范围内，所要求发现的缺陷往往不能被发现，这段距离成为盲区，其具体分析如下：
当发射超声波时，发射信号虽然只维持一段极短时间，但是停止施加发射信号后，探头上还存在一定的余振（由于机械惯性作用）。
因此，在一段较长时间内，加在接收放大器输入端的发射信号幅值仍具有一定幅值高度，可以达到限幅电路的限幅电平V
；另外，接收探头上接收到的各种反射信号却远比发射信号小，即使在离探头较近的表面发射回来的信号，也达不到限幅电路的限幅电平。
当反射面离探头愈来愈远，接收和发射信号相隔时间愈来愈长，其幅值也愈来愈小。
在超声波检测过程中，接收信号的衰减总是比发射信号余振衰减慢的多。
为保证一定的信噪比，接收信号幅值需达到规定阈值
，亦即接收信号的幅值必须大于这一阈值才能使接收放大器由输入信号[9]。
减小盲区的方法有以下几种措施：
1、压缩发射脉冲宽度
发射端采用减幅振荡脉冲或单个脉冲，可使余震（拖尾）减少，此法常用于短距离测量距离。
2、采用自动距离增益控制
采用具有自动增益控制功能的接收放大器，使近距离的增益很小，远距离时的
增益较大，这样一方面发射信号的余震幅度变小，相应的延续时间缩短，可以分辨
出近处的接受回波信号，故可使盲区减少。
另一方面，可使远处的回波信号的幅度
增大，以提高测量的精度。
3、信噪比问题
超声波测距仪都有确定的量程。
量程主要决定于接收信号的幅值应大于规定的阈值。
这个阈值决定信噪比。
噪声有两类，一类电噪声，在处理上同其它电子仪器一样，另一类为机械噪声，其中工业噪声频率较低，对液介式超声测距仪，工作频率较高，可以避开工业噪声频谱段。
而气介式超声回波测距仪，一般频率都较低，易引入工业噪声。
这时要求对环境噪声进行频谱分析，尽量避免与噪声频率重叠。
2.2超声波测距原理
超声波测距的方法有多种，如相位检测法、声波幅值检测法和渡越时间检测法等。
相位检测法虽然精度高，但检测范围有限；声波幅值检测法易受反射波的影响。
本仪器采用超声波渡越时间检测法。
其原理为：
检测从超声波发射器发出的超声波，经气体介质的传播到接收器的时间，即渡越时间。
渡越时间与气体中的声速相乘，就是声波传输的距离。
考虑实际情况，采用异地脉冲反射式来测距，即需测距离是声波传输距离的一半。
L=1/2VT（2-5）
式中，L为待测距离，V为超声波的声速，T为渡越时间。
由下式计算测量误差为
（2-6）
式中，
为测距误差，V为声速，
为时间测量误差，
为声速误差。
若要求测距
误差小于0．0lm，已知声速V=344m／s（
C时），忽略声速误差，那么测量时间的误差为
（2-7）
显然，直接用秒表测时间是不现实的。
因此，实现声波测距必须避开直接测量时间的方法，才能获得实用的测长精度。
这里利用单片机计数的方法，间接测量时间，可以把声波传播的时间精度提高到所需的准确度。
也就是对渡越时间的计算。
超声波测距原理图如图2-3所示。
发射换能器a
障碍物
L
S
接收换能器
升级会员 